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Dissertationen

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TU Wien, Fakultät für Bauingenieurwesen (Herausgeber)

Dynamic behavior of bell tower like structures in earthquake environment


Yousefi, Seyed Mehdi
Wien (Österreich)
Selbstverlag
2008, III,186 S., Abb., Tab., Lit.
Sprache: Englisch

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[Quelle: https://repositum.tuwien.ac.at]

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In der vorliegenden Arbeit wird das dynamische Verhalten von Glockenturm-ähnlichen (GT) Tragwerken, die durch verschiedene interne und externe Einwirkungen angeregt werden, untersucht. Die GT-Struktur wird als linear elastischer kontinuierlicher Kragträger mit einem nicht linearen Einzelpendel (Glocke) modelliert. Die Formulierung der Bewegungsgleichungen, basierend auf der dynamischen Gleichgewichtsmethode, als auch die Lagrange' schen Gleichungen sind dabei für lineare und nichtlineare Bedingungen anwendbar. Es werden Parameterstudien der GT-Stukturen für freie und erzwungene Schwingungen gemacht und das dynamische Verhalten, verursacht durch Glocken schwingen und Erdbebenanregung, untersucht. Zuerst wird die GT-Struktur in diskretisierter Form als ein geometrisch nichtlineares Phänomen, entsprechend einem einfachen Pendel kombiniert mit einem linearen Einmassenschwinger, vorgestellt. Eine passende analytische Methode wird beschrieben und die Ergebnisse mit jenen aus numerischen Simulationsrechnungen vergleichen. In der Folge wird der GT als hybrides System untersucht. In diesem Fall wird das starre Pendel an der Spitze des linear elastischen Turms gelagert. Die dazugehörigen Bewegungsgleichungen werden unter Berücksichtigung des nichtlinearen Schwingungsverhaltens des Pendels und des kontinuierlichen Turms, modelliert als diskretes lineares Mehrfreiheitsgrad-System, hergeleitet. Es wird besonders Wert auf die nichtlineare Interaktion zwischen dem dynamisch angeregten Turm und der Bewegung der Glocke, welche sich mechanisch wie ein starres Pendel verhält, gelegt. Die Studie gibt einen neuen Einblick in das komplexe dynamische Verhalten von GT-Stukturen. Es wird auch ein Vergleich des Schwingungsverhaltens von gekoppelten und entkoppelten Systemen angeführt. Die dynamischen Reaktionen auf das Glockenläuten sind typische charakteristische Erscheinungen von den betrachteten Türmen. Das mechanische Verhalten von Turm und Glocke wird unter Berücksichtigung der erzwungenen Glockenschwingung abgeschätzt. Unter der Wirkung eines externen Glocken-Antriebmomentes wird das nichtlineare Pendel in Bezug auf subharmonische und superharmonische Resonanzfrequenzen untersucht. Die nichtstationären Bedingungen des nichtlinearen Pendels werden diskutiert. In den letzten Jahrzehnten wurde eine neue Methode der Schwingungsdämpfung entwickelt, die durch dynamische Pendelabsorber die Schwingungen von GT-Strukturen deutlich reduziert. Ein "Pendulum Tuned Mass Damper" (PTMD) ist eine Einheit bestehend aus einer pendelnd aufgehängten Masse und einem Dämpfer der mit der Struktur verbunden ist um die Schwingungsantwort zu reduzieren. Die erste Eigenfrequenz des Dämpfers ist gezielt auf eine bestimmte Struktureigenfrequenz abgestimmt, so dass bei Anregung dieser Frequenz der Dämpfer durch ein phasenverschobenes Verhalten zur Turmbewegung die Schwingungen reduziert. Die Energie wird durch die Dämpfung und die Trägheitskraft, die auf die Struktur wirkt, dissipiert. Ein einführendes Beispiel eines PTMD und dessen Implementierung in Strukturen wie Schornsteine oder Glockentürme wird gezeigt. Zeitverläufe und Amplitudenfrequenzgänge werden für ein kontinuierliches System mit einem optimal abgestimmten PTMD, welches einer harmonischen oder stochastischen Fußpunkterregung ausgesetzt ist, unter linearen und nichtlinearen Bedingungen untersucht. Ebenso wird die optimale Position des Pendels diskutiert. Die Schwingungsantwort zufolge Erdbebenkräfte bezüglich seismischer Entwurfskriterien wird entsprechend der starken Bodenbewegung des Erdbebenereignisses in Bam (Iran, 2003) simuliert. Ein Kapitel behandelt die dynamische Analyse von GT-Strukturen mittels Teilssystemtechnik. Die durch die Glocke induzierten Schwingungen werden als externe Anregung auf die Hauptkonstruktionen angesetzt um aus der Pendelbewegung die zeitvariablen Kräfte auf den Turm zu ermitteln. Diese werden mit den Kräften aus einer quasi-statischen Analyse verglichen, die dynamischen Schnittgrößen mittels numerischer nichtlinearer Analyse ermittelt. Im letzten Abschnitt wird die Wirkungsweise von aktiv geregelten Pendeldämpfern in turmartige Baukonstruktionen analysiert.

Publikationslisten zum Thema:
Erdbeben, Erdbebenbeanspruchung, Erdbebenanalyse, Turm, Turmbauwerk, Glockenturm, Pendel, Schwingung, Dämpfung, Einmassenschwinger, Bewegungsgleichung, Dissertation, earthquake, earthquake excitation, earthquake analysis, tower, tower structure, bell tower, pendulum, vibration, damping, equalization of motion,



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Bestandsaufnahmen belegen die oftmals zerstörerische Wirkung von Erdbeben auf Mauerwerk. Dies gilt insbesondere für biegebelastete Wände(out-of-plane). In der Arbeit wird ein für diesen Anwendungsfall entwickeltes Ertüchtigungssystem untersucht (auf Wandoberfläche geklebtes Glasfasergewebe). Als Klebstoff wird ein sehr weiches Material auf Polyurethanbasis verwendet. Es wird ein Quantifizierungskonzept für die Verstärkungswirkung des Systems erarbeitet.


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Seismische Ereignisse im alpinen Bereich haben wesentliche Auswirkungen auf die gesamte Gesellschaft. Gemäss dem amerikanischen geologischen Institut (USGS) wurden 9182 Todesopfer durch die zwei starken Erdbeben vom 24. und 12. April 2015 in Nepal - ein Land, das überwiegend durch Gebirgstopografie geprägt ist - verursacht. Diese Beben waren Starkbeben der Magnitude M = 7.3-7.8. Auch moderate Erdbeben, wie sie in der Schweiz auftreten können, haben das Potenzial, grosse Schäden, Hangrutschungen oder Felsstürze in Gebieten, die durch mögliche Amplifikationen der lokalen Erschütterung oder Bodenverflüssigung gefährdet sind, zu verursachen. In diesem Zusammenhang ist die Erdbebenvorsorge und die Einschränkung der durch Erdbeben verursachten Auswirkungen im alpinen Bereich eine wesentliche Aufgabe des geotechnischen Erdbebeningenieurwesens. Diese Aufgabe wird durch Feld-, Labor- und numerische Untersuchungen des dynamischen nicht linearen Bodenverhaltens und dessen Einflussfaktoren erfüllt. Im Nachhinein entsteht aus diesen Untersuchungen die Möglichkeit, Methoden für die Abschätzung des seismischen Verhaltens unter alpinen Randbedingungen zu finden und für geneigte Erdbauwerke (z.B. Böschungen, Einschnitte, Dämme) ein Bemessungs- oder Überprüfungsverfahren zu entwickeln, welches für die praktische Anwendung tauglich ist. Das Ziel dieser Arbeit war es, damit einen Beitrag zum geotechnischen Erdbebeningenieurwesen und der Erdbebenvorsorge im alpinen Bereich mittlerer Seismizität (z.B. Schweizer Alpen) zu leisten. Mit dem Ziel, einen umfassenden Satz von statischen und dynamischen Bodenparametern für den im alpinen Bereich weit verbreiteten siltigen Sand zu schaffen, wurden eine Reihe von Laboruntersuchungen im Zusammenhang mit bestehenden Feldmessungen durchgeführt. Der Boden für die Laboruntersuchungen wurde aus Visp VS - eine Stadt im Rhonetal, die in der höchsten Erdbebenzone in der Schweiz liegt - gewonnen. Statische und zyklische triaxiale Kompressionsversuche und Messungen mit Bender- Elementen haben die Grundl


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Robustheit durch duktile Anschlüsse im Holzbau
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Robustheit durch duktile Anschlüsse im Holzbau
Bauforschung, Band T 3312
2015, 125 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
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Robustheit gegenüber außergewöhnlichen Einwirkungen ist eine Forderung an Tragwerke, die immer mehr an Bedeutung gewinnt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Auslegung von duktilen Anschlüssen, um einem sicherheitsgefährdenden, spröden Anschlussversagen entgegenzuwirken. Des Weiteren wird die Anschlussduktilität im Hinblick auf die Robustheit eines Tragwerkes am Beispiel einer seismischen Belastung bewertet. Duktile Anschlüsse entziehen sich durch Verformungen einer weiteren Belastung. Dadurch sind derartige Systeme in der Lage, durch Schnittgrößenumlagerung außergewöhnliche Belastungen zu kompensieren. Um Kenntnisse über die Verformbarkeit von Verbindungsmitteln zu erhalten, sind verschiedene Verbindungsmittel hinsichtlich ihres duktilen Verhaltes untersucht worden. Hierbei zeigte sich, dass neben stiftförmigen Verbindungsmitteln auch Dübel besonderer Bauart über eine beachtliche Verformbarkeit verfügen. Aufgrund der Bestimmungen nach DIN EN 26891 wurden die Versuche jedoch bei einer Verformung von 15 mm abgebrochen, sodass die ermittelte Kenngröße nicht das gesamte Verformungsvermögen widerspiegelt. Im Rahmen eines weiteren Forschungsvorhabens wurden Stabdübelanschlüsse entworfen und hinsichtlich ihres plastischen Verhaltens ausgewertet. Dabei wurde der Stabdübeldurchmesser sowie die Anordnung der Verbindungsmittel variiert. Die Versuchsergebnisse zeigten ein ausgeprägtes Verformungsverhalten. Basierend auf den vorangegangenen Untersuchungen wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens, quasi-statisch, zyklische Verbindungen geprüft, um duktile Anschlüsse unter einer seismischen Belastung bewerten zu können. Es zeigte sich, dass derartige Verbindungen neben einer ausgeprägten statischen Verformbarkeit ebenfalls über eine beachtliche Verformbarkeit unter einer zyklischen Beanspruchung verfügen. Holz besitzt streuende Materialeigenschaften, die das Trag- und Verformungsverhalten beeinflussen. Neben dem Einfluss des streuenden E-Moduls auf die Trägerendrotationen wurde ein erster Faktor bestimmt, der sicherstellt


Experimentelle Untersuchung des nichtlinearen Tragverhaltens zusammengesetzter Schubwandquerschnitte aus unbewehrtem Mauerwerk unter Erdbebenbelastung. Abschlussbericht
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Experimentelle Untersuchung des nichtlinearen Tragverhaltens zusammengesetzter Schubwandquerschnitte aus unbewehrtem Mauerwerk unter Erdbebenbelastung. Abschlussbericht
Bau- und Wohnforschung, Band F 2523
2009, 201 S., 225 Abb., 33 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag
 
 
Ziel der Forschungsarbeiten war, den Einfluss des Zusammenwirkens von zusammengesetzten Schubwandquerschnitten auf das Trag- und Verformungsverhalten in üblichen Hochbauten für den Lastfall Erdbeben im Rahmen experimenteller Untersuchungen zu erfassen. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt dabei auf Gebieten geringer Seismizität wie sie in Deutschland und Mitteleuropa vorzufinden sind. Für die Versuchskörper wurden ausschließlich praxisrelevante Stein-Mörtel-Kombinationen aus Ziegel- bzw. Kalksandsteinmauerwerk mit Dünnbettfugen verwendet. Die experimentellen Untersuchungen an geschosshohen zusammengesetzten Schubwandquerschnitten umfassen zum einen statisch-zyklische und zum anderen pseudodynamische Versuche. Bei beiden Versuchsmethoden wurden die Mauerwerkskörper unter kombinierter Druck- und Schubbeanspruchung in Scheibenebene geprüft, um eine möglichst realitätsnahe Belastung (Kräfte und Verschiebungen) der Wände im Versuch zu simulieren. Als Referenzgebäude für die pseudodynamischen Versuche wurde auf Basis von Voruntersuchungen ein übliches dreigeschossiges Reihenmittelhaus in Mauerwerksbauweise mit Stahlbetongeschossdecken ausgewählt, bei dem die horizontale Lastabtragung durch quer zu den Längswänden stehende Schubwände erfolgt. Die numerische Modellierung dieser Struktur für die pseudodynamischen Versuche erfolgte dabei mit einem nichtlinearen FEM-Solver. Zur Erfassung der verschiedenen Einflüsse auf die Schubtragfähigkeit wurde bei den Versuchen neben der Variation von Steinart, Steingeometrie und Verbindungstechnik auch die Prüfkörpergeometrie in Ahnlehnung an übliche Wandabmessungen eines Reihenmittelhauses verändert. Es konnte gezeigt werden, dass die Querwände einen erheblichen Einfluss auf das Trag- und Verformungsverhalten der Schubwände haben. Die Ergebnisse werden jedoch maßgeblich von der Ausführung der Verbindung von Schub- und Querwand, der verwendeten Steinart- bzw. Steingeometrie, der Normalspannung bzw. deren Verteilung über den Wandquerschnitt, und der Prüfkörpergeometrie beeinflusst.


Erdbebensicherheit von Mauerwerksbauten
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Erdbebensicherheit von Mauerwerksbauten
Konstruktive Maßnahmen zur Gewährleistung der Erdbebensicherheit im Mauerwerksbau
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Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, in einem "Schwachbebengebiet" wie Deutschland auf zusätzliche und vor allem aufwendige Nachweise zu verzichten und stattdessen Stein-Mörtel-Kombinationen und konstruktive Bedingungen auf der Basis von anspruchsvollen theoretischen und numerischen Modellen herauszuarbeiten, mit denen die Erdbebensicherheit in typischen Mauerwerksbauten in Deutschland ohne weitere Nachweisführungen gegeben ist. Dazu wurden die Anforderungen für Schubwände in Abhängigkeit von Stein-Mörtel-Kombinationen, Geschosshöhe und Anzahl der Vollgeschosse für einige typische Referenz-Mauerwerksbauten auf der Basis von realitätsnahen numerischen Modellen rechnerisch ermittelt. Zur wirklichkeitsnahen Berechnung des Verhaltens von Mauerwerk unter Erdbebenlast wurde die Zeitverlaufsmethode angewendet. Dabei sind die Erdbebeneinwirkungen als Beschleunigungs-Zeit-Funktionen der Bodenbewegung dargestellt worden. Die Kalibrierung des verschmierten FE-Materialmodells erfolgte an Versuchsergebnissen aus der Literatur. Während sich bei dem betrachteten Reihenhaus im Wesentlichen ähnliche Anforderungen wie nach DIN 4149: 2004 ergeben haben, sind für die untersuchten Mehrfamilienhausgrundrisse geringere Anforderungen ermittelt worden. Für Mauerwerk aus Porenbeton ergaben sich für beide Gebäudearten sogar deutlich geringere Anforderungen. Bei Einfamilienhäusern ist die benötigte Schubwandquerschnittsfläche nicht so sehr von der Stein-Mörtel-Kombination und der Geschosshöhe abhängig, sondern hauptsächlich von der Lage des Schubmittelpunktes. Das heißt, die Position der Innenwände hat hier eine wesentliche Bedeutung. Der Einfluss von Bewehrung ergab bei einer punktuellen Untersuchung am Mehrfamilienhaus unter statischer Belastung eine deutliche Tragfähigkeitssteigerung.


Rationell hergestellte Wände aus vorgespanntem großformatigem Mauerwerk mit hohem Erdbebenwiderstand
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Rationell hergestellte Wände aus vorgespanntem großformatigem Mauerwerk mit hohem Erdbebenwiderstand
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2005, 73 S., m. zahlr. Abb. 29,5 cm,
Fraunhofer IRB Verlag
 
 
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der das Schubtrag- und Verformungsverhalten verbessernden Wirkung der Vorspannung in Mauerwerkswänden mit angekoppelter Decke, gerade im Hinblick auf erdbebenbedingte Einwirkungen. Das Forschungsvorhaben gliedert sich in folgende drei Teilbereiche: a) Untersuchung unterschiedlicher Spannverfahren und Spannwerkzeuge. b) Experimentelle Untersuchungen an vorgespannten Mauerwerkswänden unter Erdbebeneinwirkungen. Dazu gehören auch Materialprüfungen an Mörtel, Steinen und Mauerwerk sowie die eigentlichen Wandversuche. c) Ingenieurmodell für erdbebenbeanspruchtes vorgespanntes Mauerwerk. Hierzu zählen rechnerische Voruntersuchungen, Nachrechnen der Wandversuche mittels FEM Parameterstudien und die Bestimmung des Verhaltensfaktors q. An vier verschiedenen Wandkörpern wurden statisch zyklische Schubversuche durchgeführt. Neben der Nachrechnung der Versuchsergebnisse mit dem FEM Programm Atena wurde die Schubkapazität der Versuchswände bestimmt und mit nach einem Modell von Bachmann/Lang ermittelten Werten verglichen. Die Nachrechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen Versuch und Rechnung.


Karte der geologischen Untergrundklassen für DIN 4149 (neu). Abschlussbericht
M. Geyer
Karte der geologischen Untergrundklassen für DIN 4149 (neu). Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 2926
2000, 60 S., Abb.,Tab.,Lit.,
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Bei der Neufassung von DIN 4149 wird der geologische Untergrund zur Beurteilung seismischer Gefährdung in Deutschland mit herangezogen. Das Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg (LGRB) hat hierzu eine Karte der geologischen Untergrundverhältnisse für die erdbebengefährdeten Gebiete der Bundesrepublik Deutschland erstellt. Die Karte weist großflächig drei seismologisch relevante geologische Untergrundklassen aus: Klasse A ("Fels, Festgestein"): Bereiche mit fehlender oder nur geringmächtiger Bedeckung mit Lockersedimenten (meist Quartär) über Festgestein mit Scherwellengeschwindigkeiten größer ca. 100m/s. Klasse B ("flache Sedimentbecken, Übergangszonen"): Bereiche mit bis zu ca. 100 m Lockersedimenten (meist Quartär) über Festgestein oder Bereiche, in denen unter einer geringmächtigen oder fehlenden Bedeckung von quartären Lockersedimenten tertiäre Sedimente bis ca. 500 m Mächtigkeit auftreten, deren gemessene oder geschätzte Scherwellengeschwindigkeiten allmählich auf Werte von bis zu ca. 1800 m/s ansteigen. Klasse C ("tiefe Sedimentbecken"): Bereiche mit mehr als ca. 100 m Lockersedimenten (meist Quartär) über Festgestein oder Bereiche, in denen unter einer geringmächtigen oder fehlenden Bedeckung von quartären Lockersedimenten sehr mächtige tertiäre Sedimente von mehr als ca. 500 m Mächtigkeit auftreten. Der Untergrund bis in Tiefen von ca. 20 m bleibt in allen Fällen als sogenannter "Baugrund" außer Betracht. Flächen mit einer Ausdehnung von weniger als 20 km sind in der Karte nicht dargestellt.


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